建筑中庭熱壓自然通風設計

建筑中庭熱壓自然通風設計研究摘要：中庭熱壓自然通風設計是中庭建筑物理環(huán)境設計中需要重點考慮的問題，需要建筑師和工程技術人員共同研究解決。其中，通風換氣量的大小和中和面的位置是關鍵的考慮因素。對于后者而言，設計不當會出現中庭熱空氣在高處倒灌進入功能房間的情況發(fā)生，嚴重影響高層房間的熱環(huán)境。本文將利用流體網絡方法，將中庭熱壓自然通風問題簡化為一個流體網絡問題，通過求解非線性方程組，對影響中庭熱壓自然通風換氣量以及中和面位置遷移的各個因素進行研究和分析，并提出指導設計的一些基本原則和方法。關鍵字：中庭熱壓自然通風中和面1.引言自1967年約翰波特曼在亞特蘭大的海特攝政旅館首次引入現代意義上的中庭建筑形式之后，在世界范圍內掀起了一股建造中庭的熱潮，在各種類型的公共建筑中都出現了中庭[1]。中庭作為公共建筑整體的一部分，其構成的共享空間具有某種開放感和自由感，使得室內空間具有室外感，迎合了人們熱愛自然的天性，因而得到了廣泛的應用。中庭通常具有不同于一般建筑形式的特點：大體量、高容積以及大面積的玻璃屋頂或者玻璃外墻，如何維持中庭良好的物理環(huán)境成為建筑師和工程技術人員需要共同協商解決的問題。中庭有兩種明顯的氣候控制特點：溫室效應和煙囪效應。溫室效應是由于太陽的短波輻射通過玻璃溫暖室內建筑表面，而室內建筑表面的波長較長的二次輻射則不能穿過玻璃反射出去，因此中庭獲得和積蓄了太陽能，使得室內溫度升高。煙囪效應是由于中庭較大的得熱量而導致中庭和室外溫度不同而形成中庭內氣流向上運動。為了維持中庭良好的物理環(huán)境，應針對不同季節(jié)采用不同的氣候控制方式。冬季：白天應充分利用溫室效應，并使得中庭頂部處于嚴密封閉狀態(tài)，夜晚利用遮陽裝置增大熱阻，防止熱量散失。夏季：應采取遮陽措施，避免過多太陽輻射進入中庭，同時應利用煙囪效應引導熱壓通風，中庭底部從室外進風，從中庭頂部排出。同時注意，要避免室外新風通過功能房間進入中庭，否則將導致該功能房間新風量增大而導致冷負荷大幅度增加。過渡季：當室外溫度較低時（如低于25°C時候），則應充分利用中庭的煙囪效應拔風，帶動各個功能房間自然通風，及時帶走聚集在功能房間室內和中庭的熱量。在中庭熱壓自然通風設計中，換氣量和中和面的位置是其中關鍵的考慮因素，尤其對于后者而言，設計不當會導致中庭熱空氣在高處倒灌進入主要功能房間的情況發(fā)生，嚴重影響高層房間的熱環(huán)境。本文將利用流體網絡方法，將中庭熱壓自然通風問題簡化為一個流體網絡問題，通過求解非線性方程組，對影響中庭熱壓自然通風換氣量以及中和面遷移的各個因素（如開窗高度、面積等）進行研究和分析，從而能提出指導建筑中庭自然通風設計的一些基本原則和方法。2.數學模型以一個帶有中庭的四層樓的建筑作為分析對象，熱壓自然通風示意圖和簡化的通風網絡圖如圖1所示，網絡圖由室外節(jié)點、室內節(jié)點和中庭節(jié)點構成，門窗等構成通風網絡的阻力部件。圖1建筑熱壓自然通風網絡圖針對上述通風網絡圖，按照流體網絡的方法，可列出下述方程組：其中，為各支路的通風氣流流量。為各支路阻抗。為中庭各節(jié)點的空氣密度；為室外空氣密度。為中庭各層的平均標高，為中庭頂部排風窗的平均標高。上述五個方程，有五個未知數，是一個非線性可解方程，可利用EES計算軟件求解該方程。研究中和面位置的遷移情況，實際上就是研究各個支路的流向問題，如果支路流量計算結果為負值，則表明與圖中所示的流向相反。對上述方程組分析可知，熱壓中和面位置的主要影響因素包括：中庭各層節(jié)點標高，中庭各層的溫度，各層阻力元件S值的影響，即中和面位置。此外，對于通過一個大開口的湍流流動，壓降可以用下式求得[2]：，因此。（6）其中：A－開口面積，m2Cd－開口系數，取決于開口的特性和流動的雷諾數Re；因此，可認為S主要取決于窗戶的開口面積。余3領.響計算結果與分兄析拋通過建立上述鴨數學模型，能端夠對影響各個自支路的通風量息和氣流方向進伙行仔細的分析勵，并從而能判中斷中和面的變來化特征。由于楚文章的篇幅有顛限，并考慮到藝在中庭熱壓自傷然通風設計中粗，影響較大的辰通常是中庭高表處的排風窗的準設計，因此本辦文重點對排風丘窗的設計參數如進行分析。尺3.1喘生改變中庭排風希窗的高度崇對于此四層建貪筑而言，為了拴避免出現第三瀉、四層熱壓自做然通風出現倒惜灌現象，建筑撤師通常會考慮瘦提高中庭排風暗窗的高度，甚弊至會通過采用纏專門的通風煙旬囪以希望抬高顏中和面位置?？蠄D吊2障是隨著中庭排皂風窗位置的提樸高，中庭各個嶼支路流量的變工化曲線圖。其溝它計算條件是奶：室外節(jié)點均露為食2鋸0豈℃繭，室內節(jié)點均盯為撈3描0濫℃積。各層支路上于的阻糠抗的S辭值均惹為講4折（單位均宜為預kg/m蘇7凱）發(fā)。苗h1=0,h勒2=4,h3上=8,h4=通1義2灣（單位均嘴為湯m鐘，下同）。摟圖余2良沈各個支路流量照的變化曲線圖認（中庭排風窗筑高度變化）窩從迎圖趟2畏可知單純提高券最高層節(jié)點的債高度，中和面幻提高非常緩慢顯，并不如通常紹想象中那樣，晨大約為最高層評通風節(jié)點高度衰一半的位置。鍋當最高點的位辯置提高到懸80m善的時候，才能無避免第四層的五支路出現氣流章倒灌現象的發(fā)睛生，即此時中鼻和面的位置才禾達到第四層支希路的高度娛12m凳。從另一方面吼，可以發(fā)現隨發(fā)著最高層節(jié)點饞高度的增加，鋒各層的熱壓通搖風流量都在增扭加。芒3.2憑效改變中庭頂部薄的溫度并建筑師可以采各取一些措施提躬高中庭頂部的磚局部溫度，比摘如布置一些金濫屬集熱板。呢圖杜3踩是隨著中庭頂吵部的溫度的提翻高，中庭各個猜支路流量的變皆化曲線圖。其魂他計算條件是儉：室外節(jié)點均綢為林2錄0姿℃蝦，室內下四個逢節(jié)點均為鐘3納0爺℃嚴。各層支路上雄的阻培力煩S捐均哈為脂4嘩。條h1=0,h翼2=4,h3躬=8,h4=鎖12,h5=號1釣6尼。潮圖矩3驟銷各個支路流量護的變化曲線圖井（中庭頂部溫瓶度變化）相從繁圖陸3夸可知，隨著中誦庭頂部溫度的趁提高，各層熱蛾壓通風量有緩逼慢上升，但對沃于中和面位置刺幾乎沒有變化前；第四層支路舍通風量始終為缸負值，說明從襖一、二、三層閣來的熱壓通風擱氣流一部分從忍中庭頂部排風拐窗排出，另一比部分從四層倒黃灌進入再排出鉗室外。這是在煤通風設計中必巾須要避免的。炭從上面分析可灑知，中庭頂部漢溫度的變化對敏中和面位置的控變化影響很小第。而3.3灑角改變中庭頂部廁排風窗的阻借抗君S5糕由公式碑（觸6谷）可知，加大圍中庭頂部排風析窗的開口面積浮，是降低中庭科通風臘窗臺S斗5諸的最直接有效暈的方式。洗圖清4疾是隨著中庭頂聯部排風窗的阻乏抗基S石5紗值的提高，中城庭各個支路流馬量的變化曲線決圖。其它計算府條件是：室外勇節(jié)點均為櫻2鵝0饅℃掩，室內節(jié)點均嶼為砍3孟0痕℃貴。地下四層支考路上的阻澤力雷S際均練為志4窮。耐h1=0,h把2=4,h3盼=8,h4=做12,h5=躲1夕6植。醒圖纖4瑞圾各個支路流量錯的變化曲線圖許（中庭頂部溫班度變化）練從駐圖見4賤可知，隨著中母庭頂部排風窗壯的阻抗的提高翼，各層熱壓通轎風量和中和面很位置都有所下獅升，其中對第跌三層支路的通誓風量影響較大斑。第四層支路礦始終處于氣流肝倒灌的狀態(tài)，盼而當頂層排風喜窗阻經抗籮S5=鍛4智時，第三層通鍵風量渠為要0丟，表明此時中懷和面位置處于朽第三層支路的紋高度上，即為透8m竹；玻當幕S切5瀉大繩于厭4縮時，第三層支所路開始進入倒揉灌狀態(tài)。從上仔面分析可知，亂改變中庭頂部添排風窗的面積帆（進而改變阻鞠抗扎S紀5宏值），對中庭拍熱壓自然通風蘋中和面位置有勸著較大影響。提3.4覆們中庭熱壓自然削通風設計原則堅通過上述的分珠析，并結合實勻際的工作案例士，可總結得出諷在中庭熱壓自馬然通風設計中揮的一些原則和傍方法：旗1溫）構茶在熱壓自然通紛風設計中，中刷和面的位置是諒其中一個至關雜重要的因素；震上述模擬分析者表明，中和面豐的位置通常并浙不是處于建筑僚最高通風節(jié)點予的一半位置，考而受到各個通料風節(jié)點溫度、視標高、阻抗的榆影響。利用上盼述模擬計算方敵法，能定量研畫究各通風支路行的流量和流向苗，對中庭自然端通風設計能起妥到輔助作用；闊2傭）籌妥在上述計算分積析中，可發(fā)現按要使得中和面寬的位置高于建陪筑所有功能房材間所在層的高促度是非常不容桌易的。在這種堡情況下，可考疑慮將建筑高層貞和底層的熱壓采通風設計為不道同的通風網絡堅。對于本文中聾討論建筑可以妹考慮采用如全圖裕5裹所示的通風方劈式，即建筑的然一、二層與中丸庭頂部排風窗鹽構成一個通風班網絡；而三、照四層與中庭頂葡部另一個排風個窗構成另外一害個通風網絡。家此時，兩個通麗風網絡的中和肝面位置均有可極能高于各自對蒸應的最高層功維能房間的通風歲窗標高，因此吹能避免出現倒扎灌現象發(fā)生醉。祥刊3詳）畫仔上述分析可知蝦各支路的阻力膏狀況對通風的撇效果影響很大除。熱壓自然通緊風相比風壓自棕然通風而言更饞是一個微動力下的通風方式。賴因此要想取得急較好的通風效垮果，應盡可能斷減少阻力；對墓于帶有中庭的量辦公建筑而言京，開敞的空間騾布局的熱壓通宰風效果就要比詠采用隔間方式怪的布局好的多涌。4.結論水1正、本文利用流密體網絡的基本米原理提出了一蘭個能定量計算蛇熱壓自然通風譜設計的方法；混通過此方法能墨對通風量和中幼和面位置進行抄分析和判斷，漢進而能對設計董起到輔助作用傷；抹2竟、熱壓自然通棍風設計中，尤霉其要重視中和典面所在位置。允分析表明，要緣使得中和面的照位置高于建筑緩所有功能房間芳所